DE2555375C2

DE2555375C2 - Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2555375C2
Application number: DE2555375A
Authority: DE
Inventors: Anthony Francis Middletown Conn. Giamei; Bernard Henry Madison Conn. Kear
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-09
Publication date: 1986-05-07
Also published as: JPS6047336B2; IT1058334B; NO754339L; US3967355A; CA1060319A; NO142447B; BE836938A; NL7514527A; FR2302852A1; NO142447C; FR2302852B1; DE2555375A1; JPS5189815A; SE414197B; GB1528637A; SE7513907L; CH620945A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel auf der Basis von Ni- oder Co-Superlegierungen, die wenigstens teilweise von einem zusammengesf^;z"cen Einkristall gebildet wird.

Zum Verständnis der Vorteile der Verwendung von Einkristallen und der Grundlagen der vorliegenden Erfindung erscheint es angebracht, eingangs das an sich bekannte Wissen über Korngrenzen kurz zusammenzufassen. Eine Korngrenze ist ein Bereich, wo zwei Körner verschiedener kristallographischer Orientierung aneinanderstoßen. Es ist bekannt, Korngrenzen im Hinblick auf den Unterschied der Orientierung zwischen den Körnern in Kleinwinkelkorngrenzen und Großwinkelkorngrenzen zu unterscheiden. Kleinwinkelkorngrenzen werden im Berührungsbereich von Körnern mit n-tr leicht unterschiedlicher Orientierung gebildet und können als Versetzungsreihe analysiert werden, überschreitet die Orientierungsabweichung einen gewissen Wert, der in der Praxis unterschiedlich festgelegt ist und im Rahmen dieser Beschreibung der übliche Wert von 5° sein soll, werden Großwinkelkorngrenzen gebildet, für die bisher noch keine zufriedenstellenden theoretischen Modelle entwickelt wurden.

Es ist bekannt, daß Großwinkelkorngrenzen eine viel größere Mobilität aufweisen als Kleinwinkelkorngrenzen, wobei im allgemeinen gilt, daß die Mobilität von Korngrenzen zunimmt, wenn der Winkel, um den sich benachbarte Körner unterscheiden, größer wird.

In der folgenden Beschreibung wird, wenn nicht anders angegeben, der Ausdruck »Korngrenze« synonym mit Großwinkelkorngrenze verwendet. Ein mit der Anwesenheit von Korngrenzen verbundenes Problem besteht darin, daß in einem Material vorhandene Verunreinigungsatome, die im allgemeinen eine andere Größe und andere elektronische Eigenschaften als das Grundmaterial aufweisen, zu den Korngrenzen wandern, wo sie sich besser in das Gesamtgefüge einordnen. Dadurch kann die Konzentration an Verunreinigirngsatomen an einer Korngrenze um einige Größenordnungen höher liegen als die Konzentration dieser Verunreinigungen

innerhalb des einkristallinen Korns. Wenn eine solche Segregation eintritt, treten an den Korngrenzen die Eigenschaften der Verunreinigungsatome in den Vordergrund.

Im Falle einer Superlegierung auf Nickelbasis, wie sie beispielsweise für Turbinenteile verwendet wird, ist beispielsweise Schwefel eine schädliche Verunreinigung, durch deren Anreicherung in den Korngrenzen die mechanischen Eigenschaften einesteils vesch-echtert werden, weshalb Brüche in schwefelhaltigen Super legierungen auf Nickelbasis im allgemeinen an einer Korngrenze beginnen. Es wurde auch beobachtet, daß die Anwesenheit von Korngrenzen nachteilig auf die Oxydation und Korrosion bei hohen Temperaturen wirkt.

Materialien mit ausschließlich Kleinwinkelkorngrenzen /eigen diese Probleme nicht

Zur Überwindung der Probleme, die durch die Anwesenheit von Korngrenzen hervorgerufen werden, wurde bei der Herstellung vollständiger kleiner Turbinenteile, wie z. B. von Lauf- und Leitschaufeln, versucht, durch eine Richtungsverfestigung, wie sie z. B. in der US-PS

Aar niter ->,■«· Λ/βι-föCi*»

Ger cjucr zur vcnss"-

gungsrichtung verlaufenden Korngrenzen auf ein Minimum zu senken oder Einkristalle, wie sie in der US-PS 34 94 709 beschrieben sind, zu verwenden. Während die durch Richtungsverfestigung erhaltenen Resultate bisher sehr zufriedenstellend waren, konnten die Vorteile der Einkristalltech;;4ken wegen der erhöhten Kosten nicht wirtschaftlich genutzt werden.

Eine andere Technik, die auf dem Gebiet der Hochtemperaturlegierungen Interesse gefunden hat, ist die Technik der Züchtung von Kristallen mit einer orientierten MikroStruktur oder zweiten Phase, wie sie beispielsweise in den US-PS 37 93OiO und 35 28 808 beschrieben wird. Um eine orientierte zweite Phase zu züchten, ist u. a. eine strenge Kontrolle der Zusammensetzung erforderlich. Ein weiteres praktisches Problem ergibt sich daraus, daß festgestellt wurde, daß die meisten Legierungen mit optimalen mechanischen Eigenschäften im allgemeinen unter Hc .-htemperaturbedingungen, wie sie beispielsweise in Gasturbinen gegeben sind, keine ausreichende Oxydations- und Korrosionsbesilndigkeit aufweisen.

Aus der US-PS 38 26 700 ist es ferner für das Gebiet der Halbleitertechnik bekannt, zwei Einkristalle, beispielsweise aus Galliumarsenid, in einer solchen Orientierung miteinander zu verschweißen, daß aus ihnen ein großflächiger Einkristall gebildet wird. Dabei wird zwischen den beiden Einkristallen, die beispielsweise aus Galliumarsenid bestehen, eine Schicht eines Legierungsmaterials, beispielsweise Germanium, angeordnet. Bei einer Temperatur oberhalb von 900°C kommt es zu einer Verschweißung. Auf dem Gebiet der Superlegierungen ist eine vergleichbare Technik bisher unbekannt.

Der Begriff »Einkristall« wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung für kristalline Materialien verwendet, die frei von Großwinkelkorngrenzen sind. Er umfaßt also Materialien, die nicht mobile Kleinwinkelkorngrenzen und Vesetzungsreihen aufweisen. In der vorliegenden Beschreibung soll er ferner Materialien umfassen, die eine regelmäßige kristalline Matrix aufweisen, welche eine dispergierte zweite Phase enthält, die mit der Matrixphase kohärent oder nicht-kohärent ist. Beispiele für derartige Materialien sind Superlegierungen auf Nickelbasis, die eine kohärente Dispersion von ^'-Teilchen in einer ^-Matrix enthalten, sowie eutektische Materialien.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

gründe, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die Vorteile von Einkristallstrukturen in wirtschaftlicher Weise zur Herstellung von Turbinenschaufeln auf der Basis von Superlegierungen zu nutzen, indem derartige Turbinenschaufeln aus einfacher herstellbaren einkristallinen Teilen, die insbesondee auch unterschiedliche, ihrer jeweiligen Beanspruchung angepaßte Zusammensetzungen aufweisen können, zusammengefügt werden, so daß einkristalline Turbinenschaufeln mit optimalen Eigenschaften erhalten werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel für Gasturbinentriebwerke erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit einem Fuß zu verbindenes Kernelement aus einem keramischen oder metallischen Material mit Umhüllungsteilen, bestehend aus Deckelementen und einem Kappenelement aus einer Nickel- und/oder Kobalt-Basislegierung mit einkristallinem Gefüge, deren Gitterparameter nicht mehr als 5% voneinander abweichen, durch Verschweißen der Umhüllungsteile so umhüllt wird, daß die gegenseitigen Orientierungsrichtungen der Gitter der einzelnen Umhüllungsteile weniger als 5° in jeder der drei Gitterachsen voneinander abweichen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht das zu umhüllende Kernelement und/oder der Fuß ebenfalls aus einer Nickel- und/oder Kobalt-Basislegierung mit einkristaUinem Gc.'üge und wird unter Beachtung der Bedingungen bezüglich der Gitterparameter und der Orientierung mit den Umhüllungsteilen verschweißt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit die Herstellung von Turbinenschaufeln, die wenigstens teilweise Einkristallstruktur, also eine von Großwinkelkorngrößen freie Struktur, aufweisen. Es ist ein besonderer Vorteil, daß erfindungsgemäß einkristalline Turbinenschaufeln erhalten werden können, die in verschiedenen Bereichen des einkrisiaiiinen Geiüges unterschiedliche chemische und/oder physikalische Eigenschaften aufweisen. So ist es unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine Einkristall-Turbinenschaufel herzustellen, die einen Korn mit den gewünschten guten mechanischen Eigenschaften und eine Oberfläche mit einer extremen Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Da die erfindungsgemäß hergestellten Turbinenschaufeln keine Korngrenzen aufweisen, besteht praktisch keine Möglichkeit für eine Segregation von Verunreinigungen oder eine Korngrenzenrißbildung. Eine oder mehrere der Komponenten der zusammengesetzten einkristallinen Turbinenschaufeln können eine orientierte MikroStruktur oder eins zweite Phase aufweisen, die die mechanischen Eigenschaften verbessert. Dabei bestehen die erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln wenigstens teilweise aus hochwarmfesten Legierungen, nämlich Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis, die unter den Arbeitsbedingungen in einer Gasturbine eine außergewöhnlich hohe Festigkeit und Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter ausführlicher Erläuterung der kristallographisehen Beziehungen, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingehalten werden müssen, um zu einkristallinen Turbinenschaufeln zu gelangen, die frei von Großwinkelkorngrenzen sind, näher erläutert. In diesem Zusammenhang werden auch die verschiedenen an sich bekannten Verfahren zum Zusammenfügen der einzelnen Teile erläutert.

Die Figuren erläutern die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzten Zusammenhänge sowie seine konkrete Durchführung anhand eines Ausführungsbeispiels eine^r speziellen Turbinenschaufel

Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Gitterstruktur von zwei Einkristallteilen vor und nach dem Binden,

Fig.2 eine Darstellung der relativen Orientierung von zwei Einkristallteilen vor dem Binden,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Versetzungsstruktur, die sich ergeben kann, wenn zwei Einkristalle mit leichten Orientierungsabweichungen miteinander verbunden werden,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer Versetzungsstruktur, die sich ergeben kann, wenn zwei Einkristalle mit einer leichten Orientierungsabweichung miteinander verbunden werden, und

F i g. 5 die Elemente, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Herstellung einer einkristallinen Turbinenschaufeln verwendet werden.

Die erfindungsgemäß herzuste'.i/nden Turbinenschaufeln werden aus mindestens zwei F^:nkristaiheüen, die unter solchen Bedingungen miteinander verbunden werden, daß keine Großwinkelkorngrenzen gebildet werden, hergestellt. Diese Bedingungen, die im Patentanspruch angegeben sind, umfassen Gitterparameter und Kristallorientierungen und werden nachfolgend zusammen mit den Verbindungstechniken näher erläutert Die erfindungsgemäß hergestellten Turbinenschaufeln, die wenigstens teilweise aus zusammengesetzten Einkristallen bestehen, sind frei von Korngrenzen und besitzen eine einzigartige und wertvolle Kombination von Eigenschaften. So kann eine erfindungsgemäß hergestellte Turbinenschaufel eine Kernkomponente hoher Festigkeit, aber nicht optimaler Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und um diese Kernkümponenie herum eine von 'Jrnhüüungsteüen gebildete Oberflächenkomponente niedrigerer Festigkeit, die dafür jedoch eine außergewöhnliche Oxydation*.- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Dabei können in die Turbinenschaufel auch polykristalline oder keramische Materialien eingearbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis, daß unter bestimmten Bedingungen zwei Einkristalle unter Bildung eines einzigen Kristalls miteinander verbunden werden können, der sich dadurch auszeichnet, daß er im wesentlichen nur ein inneres Kristallgitter und keine inneren Großwinkelkorngrößen aufweist. In der auf die F i g. 1 bis 4 Bezug nehmenden Beschreibung zur Erläuterung der Bedingungen, unter denen ein solcher zusammengesetzter Einkristall gebildet werden kann, werden aus Gründen der Vereinfachung Einzelteile einer Kristallstruktur mit kubischer Symmetrie vorat'sgi-ieizt, es ist jedoch dem Fachmann klar, daß auch kristalle anderer Symmetrietypen, wie z. B. hexagonal und orthorhombiscii, eingesetzt werden könntn.

Die erste bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuhaltende Bedingung bezieht sich auf den Gittertyp und die Gitterpararneter. Die miteinander zu verbindenden Kristalle müssen die gleiche Kristallstruktur und Gitterparameter aufweisen, die um nicht mehr als 5%, vorzugsweise weniger als 3%, voneinander abweichen. F i g. 1 zeigt zwei einkristalline Teile A und B mit benachbarten Oberflächen 1 und 2 vor und nach dem Vereinigen unter Bildung eines zusammengesetzten Einkristalls C. Die Teile A und B weisen verschiedene Gitterparameler auf, wobei innerhalb eines Längenabschnitts das Teil A 7 horizontale Atomebenen aufweist, während

der Kristall B nur 6 horizontale Atomebenen besitzt. Nach dem Zusammenfügen der beiden Teile entsteht eine kontinuierliche Gitterstruktur mit einer inneren Randversetzung 3, die Folge der überzähligen Atomebene des Teils A ist. Außer dieser Versetzung haben alle Atome der benachbarten Oberflächen 1 und 2 Bindungen zu Atomen des anderen Teils ausgebildet. Die verschiedenen Gitterparameter führen zur Ausbildung einer Versetzungsstruktur, die sich aus Randversetzungen zusammensetzt, welche in der Verbindungsfläche beider Teile angeordnet sind. Ein Unterschied von 5% bei den Gitterparametern führt zur Bildung einer Randversetzung für jeweils 20 Atomebenen. Eine derartige Versetzungsreihe weist nicht die Mobilität und die nachteiligen Auswirkungen auf die Eigenschaften auf, wie eine Großwinkelkorngrenze. Es war dabei überraschend, daß erfindungsgemäß festgestellt wurde, daß die Atomarten, die die einzelnen Einkristallteile bilden, nicht identisch sein müssen, solange die Kristallstrukturen identisch sind. Beispielsweise ist es möglich, einen vollständigen Einkristall aus zwei Teilen zu bilden, von denen eines aus einer Legierung auf Nickelbasis und das andere aus einer Legierung auf Kobaltbasis besteht, wenn die Gitterparameter entsprechende Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfüllen und beide Legierungen die gleiche Kristallstruktur (zumindest in der Verbindungsebene) aufweisen. Wenn Kristalle unterschiedlicher Zusammensetzung zusammengefügt werden, muß jedoch darauf geachtet werden, daß eine Kombination von Elementen vermieden wird, die unter den Gebrauchsbedingungen unerwünschte intermetallische Verbindungen bilden. Zur Prüfung dieser Frage sollten Phasendiagramme zu Rpt gezogen werden. Dabei ist eine vollständige Feststofflöslichkeit erwünscht.

Die zweite Bedingung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllt werden muß, betrifft die Orientierung der zu verbindenden einkristallinen Teile beim

Varhin/Idn Oiji hj*iHj»n pinlfrictalltAilf» miiccpn ΚαΪγπ Vor.

binden im wesentlichen gleiche Orientierungen aufweisen. Die der Erläuterung dienende F i g. 2 zeigt zwei Einkristallteile D und £, die vor dem Zusammenfügen der Flächen 11 und 12 richtig orientiert worden sind. Die Orientierung eines Einkristallteils kann relativ zu dem anderen Einkristallteil anhand von Drehungen um die drei Raumachsen X, Y und Z von F i g. 2 beschrieben werden. In F i g. 2 verläuft dabei die A"-Achse senkrecht zur Verbindungsebene, während die Y- und Z-Achsen parallel zur Bindungsebene liegen. Wenn ein Kristall relativ zum anderen um eine Achse gedreht wird, die senkrecht zur Verbindungsebene verläuft, wird beim Verbinden ein Netzwerk von Schraubenversetzungen erhalten, wie es in F i g. 3 gezeigt ist F i g. 3 zeigt ein Schema der Atomversetzungsanordnung in der Bindungsebene, wobei eine Vielzahl von Schraubenversetzungen 15 in einer regelmäßigen quadratischen Anordnung zu erkennen ist. Die ausgefüllten Kreise stellen die Atome des einen Teils und die offenen Kreise die Atome des anderen Teils dar.

Wenn ein Teil relativ zum anderen um eine Achse gedreht wird, die in der Bindungsebene liegt, so wird ein Netzwerk von Randversetzungen 17 erhalten, wie es in F i g. 4 gezeigt ist F i g. 4 zeigt dabei eine Ansicht senkrecht zur Bindungsebene. (Es ist zu bemerken, daß die Randversetzungen in F i g. 4 sich in der Orientierung um 90° von den Randversetzungen in F i g. 1 unterscheiden, die eine Folge von Gitterpararneterunterschiede sind.) In F i g. 4 ist zu erkennen, daß der Abstand zwischen den Randversetzungen direkt vom Winkel der Orientierungsabweichung abhängt. Der Abstand zwischen den Randversetzungen kann dabei durch die folgende bekannte Gleichung beschrieben werden:

D-4.

D = Abstand zwischen den Versetzungen
b = Abstand der Atomebenen
θ = Winkel der Orientierungsabweichung zwischen benachbarten Kristallen.

Eine Orientierungsabweichung mit einem Winkel von 3° ergibt einen Abstand von ungefähr 20 Atomebenen zwischen den benachbarten Randversetzungen.

In der Praxis werden die zu verbindenden Kristalle eine Orientierungsabweichung aufweisen, die durch einc Drehung um aiic drei Rauiimciibcn ucScniiebcri werden kann. Die resultierende Versetzungsstruktur in der Bindungsebene wird deshalb ein komplexes Gemisch aus Rand- und Schraubenversetzungen in einer regelmäßigen Anordnung sein. Für die Zwecke der Erfindung muß die Drehung um irgendeine der drei Raumachsen weniger als 5° und insbesondere weniger als 3° betragen, wobei die Summe aller Drehungen weniger als 10° und vorzugsweise weniger als 5° beträgt. Die Kristallorieniisrungen können durch die allgemein bekannten Röntgenstrahlentechniken bestimmt werden.

Wenn die erläuterten Bedingungen nicht eingehalten werden, wird die Versetzungsdichte an der Korngrenze zwischen den zusammengefügten Einkristallteilen zu groß, und die Korngrenze nähert sich einer Großwinkelkorngrenze an, die mobil und Ursache schädlicher Auswirkungen ist. Sobald Großwinkelkorngrenzen vorliegen, kann die duch Verbinden zweier Teile erzeugte Struktur nicht mehr als Einkristaü bezeichnet werden.
Der Unterschied bei den Gitterparametern ergibt eine regelmäßige Versetzungsreihe mit einer niedrigen Versetzungsdichte, und die Orientierungsabweichungen in den drei Raumrichtungen können ebenfalls Versetzungsreihen ergeben. In der Praxis ist es also die Summe dieser Faktoren, die bestimmt, ob eine Versetzungsdichte erhalten wird, die einer mobilen Korngrenze entspricht Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorausgesetzt, daß die Summe der numerischen Werte der Unterschiede der Gitterparameter (in %) und die Summe der drei numerischen Werte der Orientierungsabweichungen (in °) weniger als 12 und vorzugsweise weniger als 7 sein soll, wenn optimale und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden sollen. Es muI5 jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Mobilität der Korngrenzen von den Wechselwirkungen zwischen den Ver-Setzungen an der Korngrenze abhängen. Dieser Faktor ist nicht leicht abzuschätzen. Deshalb muß bei der Herstellung von zusammengesetzten Einkristallen unter Verwendung von Einkristallteilen, die eine hohe Orientierungsabweichung und größere Unterschiede bei den Gitterparametern aufweisen, mit Sorgfalt vorgegangen werden. Die relativen Einflüsse der Gitterparameterunterschiede und der Orientierungsabweichungen auf die Korngrenzenmobilität sind nicht genau bekannt Es ist daher nicht beabsichtigt die Erfindung durch die in der obigen Beschreibung angegebenen zusätzlichen numerischen Grenzwerte, die nur als Leitfaden dienen sollen, gegenüber dem Patentanspruch weiter zu beschränken. Es existieren Techniken, die es ermöglichen, beim

Verbinden von F.inkristallteilen die durch die Gitterparameter und die kristailographischen Orientierungen natürlich vorgegebenen Einschränkungen zu umgehen. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, zwei Einkristallteile miteinander zu verbinden, die eine Orientierungsabweichung mit einer 8%igen Drehung um eine bestimmte Achse aufweisen, kann eine Zwischenschicht verwendet werden, die eine Drehung von 4° relativ zu einem jeden angrenzenden Einkristallteil aufweist. Entsprechendes gilt für die Verbindung von Einkristallen mit Gitterparametern, die sich zu stark unterscheiden.

Für die Herstellung der gewünschten Bindungen zwischen zwei Einkristallteilen, die die obigen Bedingungen erfüllen, existieren verschiedene bekannte Verfahren, bei denen die Oberflächen der benachbarten Einkristalle unter solchen Bedingungen in Kontakt gebracht werden, daß sich zwischen den Oberflächenatomen die angrenzenden Oberflächenmetallbindungen ausbilden, wobei eine geringe Diffusion für die leichte Atomumordnung erforderlich ist, die die Ausbildung von Metallbindungen ermöglicht.

Eine Grundvoraussetzung für die Durchführung eines derartigen Bindeverfahrens ist die Sauerbarkeit der zu verbindenden Oberflächen. Diese dürfen insbesondere keine reaktiven Verunreinigungen aufweisen. Der erforderliche innige Kontakt kann dann durch die Anwendung von Wärme und Druck auf die zu verbindenden Kristalle unterstützt werden. Ein Druck fördert den innigen Kontakt, indem vorspringende Teile der miteinander zu verbindenden Kristalle leicht deformiert werden, so ''aß die Kontaktfläche erhöht wird. Die Anwendung von Wärme während des Bindevorgangs unterstützt die Ausbildung von Metallbindungen durch die Erhöhung der Amplitude der Atomschwingungen, so daß es möglich wird, daß Oberflächenatome des einen Kristalis sich mit Oberfiächenatomen des anderen Kristalls, die eine nicht ganz richtige Orientierung aufweisen, verbinden. Die Temperatur, bei der das Zusammenfügen ausgeführt wird, wird nach oben dadurch beschränkt, daß die MikroStruktur, beispielsweise irr Hinblick auf das Einsetzen des Anschmelzens und das Auflösen von erwünschten Phasen, berücksichtigt wird. Eine richtige Kombination von Wärme und Druck ist auch erforderlich, um mögliche Rekristallisationen zu vermeiden, die sich aus einer übermäßigen De.ormation während des Zusammenfügen ergeben können. Diffusionsbindeverfahren, die die obigen Bedingungen erfüllen, sind gut bekannt, beispielsweise aus der US-PS 35 30 568.

Ein weiteres geeignetes Verfahren ist in der US-PS 36 78 570 beschrieben. Bei diesem als TLP-Diffusionsverfahren bekannten Verfahren wird eine Zwischenschicht mit einem Schmelzpunkt unterhalb dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Teile zwischen diese eingebracht. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht ähnelt der der miteinander zu verbindenden Teile, außer daß ein den Schmelzpunkt erniedrigendes Mittel, beispielsweise Bor, vorhanden ist Die Teile und das Zwischenmaterial werden dann \n Anlage gehalten und auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Zwischenmaterials erhitzt, wobei diese Temperatur jedoch ausreichend unter dem Schmelzpunkt der Einkristallteile liegt. Das Zwischenmaterial schmilzt und diffundiert in die benachbarten Grenzflächen, bis die Konzentration des Schmelzpunkt erniedrigenden Stoffs soweit verringert ist, daß eine Verfestigung eintritt. Die Verfestigung verläuft dabei isotherm und es wird eine feste Bildung zwischen den Teilen erhalten. Ein einzigartiges Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, daß im Verbindungsbereich keine gesonderte Kristallstruktur gebildet wird, sondern sich die Kristallstrukturen der miteinander verbundenen Teile in den Bindebereich erstrecken. Die zeitweilige Anwesenheit einer flüssigen Phase sichert einen innigen Kontakt, der eine gute Bildung ergibt.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr unter Bezugnahme auf F i g. 5 näher erläutert. F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Teile einer

ίο Turbinenschaufel 30 mit Tragflächenform, die gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Turbinenschaufel verbunden werden. Die Turbinenschaufel besteht aus einem Kernelement 31, das aus einem Material hoher Festigkeit bei erhöhten Temperaturen hergestellt ist.

Wie nachfolgend näher erläutert wird, muß dieses Material des Kernelements 31 keine außergewöhnliche Korrosions- oder Oxydationsbeständigkeit aufweisen, da es beim Betrieb geschützt ist. Das Kernelement 31 weist Durchgänge 45 und 46 für ein Kühlmittel wie z. B.

Luft auf. Als Umhüllungsteile werden zwei Deckelemente 32 und 33 mit dem Kernelement 31 verbunden. Die Orientierung der Deckelemente 32 und 33 ist mit der Orientierung des Kernelements 31 identisch, und zwar zumindest innerhalb der im Anspruch angegebenen Grenzen. Die US-PS 34 94 709 beschreibt dabei eine bevorzugte Orientierung eines Einkristalls für eine Turbinenschaufel. Die Deckelemente 32 und 33 können einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen oder, wie gezeigt, verjüngt sein, um eine optimale Tragflächenform zu erzielen. Ein Kappenelement 34 schützt das eine Ende des Kernelements 31 vor Oxydation und Korrosion. Das Kappenelement 34 ist gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung orientiert und mit der Stirnfläche 35 des Kernelements 31 sowie mit den Stirnflächen 36 und 37 der Deckelemente 32 und 33 verbunden. Das Kernelcment 31 sitzt in einer Aussparung 38 eines Fußes 39, dessen Gitterparameter und dessen Gitterorientierung ebenfalls der Lehre der vorliegenden Erfindung entsprechen. Die Bodenflächen 40 und 41 der Deckelemente 32 und 33 sind mit der Oberfläche 42 des Fußes 39 verbunden. Der Fuß 39 enthält dabei ferner Verbindungsdurchgänge 43 und 44, durch die Kühlluft in die Kühldurchgänge 45 und 46 im Kernelement 31 eingeführt werden kann.

Ein besonderer Vorteil einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, wie sie in F i g. 5 gezeigt ist, besteht darin, daß alle Teile, aus denen die Schaufel hergestellt ist, einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen und deshalb als Einkristall direkt aus einem geschmolzenen Material unter Verwendung eines der bekannten Verfahren hergestellt werden können, siehe beispielsweise iii »The Art and Science of Growing Crystals« von J. J. Gilman, N. Y, 1963, insbesondere S. 275 bis 365. Durch die Verwendung von Einkristallteilen mit konstantem Querschnitt, die Kühldurchgänge aufweisen, entfällt die Notwendigkeit, aufwendige Kerne mit kleinem Querschnitt zu verwenden. Derartige Kerne mit verhältnismäßig geringer Festigkeit waren bisher eine Quelle von Schwierigkeiten, da sie aufgrund von thermischen Spannungen und Verformungen bei erhöhten Temperaturen leicht brachen. Erfindungsgemäß ist das Material für das Kernelement 31 so ausgewählt, daß es bei hohen Temperaturen möglichst fest ist, während das Material für die Deckelemente 32 und 33 sowie das Kappenelement 34 im Hinblick auf eine hohe Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit ausgewählt ist Das Material für den Fuß 39 wird so ausgewählt, daß es bei einer etwas niedrigeren Temperatur besonders fest ist und außerdem

eine hohe Kerbzähigkeit aufweist. Wenn alle diese Elemente gleiche kristallographische Orientierungen, Gitterparameter und Kristallstruktur aufweisen, wie dies gemäß der vorliegenden Erfindung gefordert wird, und wenn sie außerdem richtig zusammengefügt sind, besitzt das erhaltene Teil eine Struktur, die weitgehend frei von schädlichen Großwinkelkorngrenzen ist.

Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß Einkristallelemente mit einem konstanten Querschnitt zu einem zusammengesetzten Teil vereinigt werden können, das nicht unbedingt eine gleichförmige Querschnittsform aufweisen muß. Dadurch können Bearbeitungen und andere Behandlungen weitgehend wegfallen, wenn ein zufriedenstellendes Verfahren zur Züchtung der Einkristallteile mit konstantem Querschnitt verwendet wurde. Die in F i g. 5 gezeigte Turbinenschaufel erfordert nur noch eine Bearbeitung zur Ausbildung des Kühlkanals im Kernelement 31.

In der bisherigen Beschreibung der vorliegenden Er-

r,_nj,m~ .mt_n. ΐι_η-._πηηι._ηΑ »..ι r; ~ c ....,»^i» ^_n.._nn _nttr. «_Λ (Innung unit»! ut»«.ugiiuiiiii\» uut ι ι g. ^ «vuiuv uuvwii UKt^ i\j gegangen, daß alle Teile der Turbinenschaufeln aus Einkristallen bestehen. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung können jedoch auch eines oder mehrere polykristalline Elemente eingearbeitet werden. Beispielsweise kann der Fuß 39 aus einem polykristallinen Material hergestellt sein, da die Arbeitstemperaturen am Fuß der Turbinenschaufel wesentlich niedriger sind als im übrigen Teil der Turbinenschaufel. Es ist ferner auch möglich, das Kernelement 31 aus einem polykristallinen Material herzustellen. So kann das Kernelement 31 aus einem polykristallinen Material mit einer orientierten zweiten Phase hergestellt sein. Beispiele für derartige Materialien sind die bekannten richtungsverfestigten Eutektika, wie sie in den US-PS 31 24 452 und 35 54 817 beschrieben sind. Die Vorteile einer solchen zweiphasigen Struktur sind Anisotropie und extreme Festigkeit, die sich aus der Orientierung der zweiten Phase ergeben. Normalerweise besteht ein genereller Nachteil derartiger Materialien darin, daß Gegenstände, die eine maximale mechanische Festigkeit aufweisen, bei den erhöhten Temperaturen, die in Gasturbinen auftreten, keine ausreichende Oxydations- oder Korrosionsbeständigkeit besitzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Herstellung einer Umhüllung aus einem Einkristall vorgesehen, die ein derartiges hochfestes Material vor schädlichen Oxydations- und Korrosionseffekten schützt.

Es ist ferner möglich, bei einer Triebwerksschaufel, wie sie in F i g. 5 gezeigt ist, z. B. das Kernelement 31 aus einem keramischen Material auszuführen. In den US-PS 38 44 727 und 38 44 782 wird ein Verbundbauteil aus Metall und Keramik beschrieben, das einen keramischen Körper von länglicher Form mit einer Vielzahl von Einkristallstäben, die das keramische Element durchziehen und mit metallischen Endstücken verbunden sind, aufweist Keramische Materialien sind für ihre hohe Druckfestigkeit bekannt, besitzen aber üblicherweise eine schlechte Zugfestigkeit Ein besonderes Merkmal der in den genannten US-Patentschriften beschriebenen Bauteile besteht darin, daß das keramische Material auf Druck vorgespannt ist und somit verbesserte Zugeigenschaften und Rißbeständigkeiten aufweist In einer solchen Struktur sind einige der Vorteile von metallischen Materialien und keramischen Materialien kombiniert Die nachteiligen Eigenschaften keramischer Stoffe, wie z. B. Sprödigkeit und Empfindlichkeit gegenüber thermischen Schocks, bleiben bei ihnen jedoch problematisch. Wenn jedoch eine derartige Verbundstruktur als Kernelement 31 verwendet wird, schützen die aus einem Einkristall bestehenden Dcckelemente 32 und 33 das keramische Material vor einem schädlichen thermischen Schock sowie vor möglichen Schäden durch mechanische Schläge.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel für Gasturbinentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Fuß zu verbindendes Kernelement aus einem keramischen oder metallischen Material mit Umhüllungsteilen, bestehend aus Deckelementen und einem Kappenelement aus einer Nickel- und/oder Kobalt-Basislegierung mit einkristallinem Gefüge, deren Gitterparameter um nicht mehr als 5% voneinander abweichen, durch Verschweißen der Umhüllungsteile so umhüllt wird, daß die gegenseitigen Orientierungsrichtungen der Gitter der einzelnen Umhüllungsteile weniger als 5° in jeder der drei Gitterachsen voneinander abweichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement und/oder der Fuß ebenfalls aus einer Nickel- und/oder Kobalt-Basislegierung trCi einkristallinem Gefüge bestehen und diese unter Beachtung der Bedingungen bezüglich der Gitterparameter und der Orientierung mit den Umhüllungsteilen verschweißt werden.